本發(fā)明屬于無(wú)機(jī)復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳化硅纖維束增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)：

碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)體sic的體積分?jǐn)?shù)越大，熱導(dǎo)率越高、熱膨脹系數(shù)越小，同時(shí)具有比強(qiáng)度和比剛度高、密度低、耐磨、耐疲勞以及尺寸穩(wěn)定性性能更好。大量顆粒狀或短纖維狀增強(qiáng)體的加入，會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料韌性的降低，若能采用長(zhǎng)絲纖維狀的碳化硅網(wǎng)做增強(qiáng)體來(lái)制備復(fù)合材料，必將在確保強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，不至于降低韌性。另外碳化硅的脆性大，長(zhǎng)絲碳化硅纖維本身就不宜獲得，將其編織成網(wǎng)狀的碳化硅纖維網(wǎng)更不易獲得。尤其對(duì)微米級(jí)別的碳化硅纖維網(wǎng)，更難以獲得。本專(zhuān)利先利用易得到的石英纖維布與石墨原位反應(yīng)來(lái)獲得碳化硅纖維布，然后再利用碳化硅纖維布增強(qiáng)鋁基體，獲得復(fù)合材料。

目前制備碳化硅纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料常采用外部加入顆粒或短纖維的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要分：(1)粉末冶金法：但孔隙率較大，sic顆粒主要集中在晶界，在復(fù)合材料中的分布不均勻，且結(jié)合力有待于提高；熔滲法的滲透效果較差，滲層厚度較小，一般屬于表面處理范疇；(2)攪拌鑄造法：由于sic與鋁基體的潤(rùn)濕性較差，導(dǎo)致顆粒很難加入到熔體中。專(zhuān)利(201110427149.4)一種碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法，采用在模具內(nèi)將碳化硅與鋁粉末進(jìn)行多次的燒結(jié)保溫，程序繁瑣，并且燒結(jié)保溫的工藝參數(shù)控制不當(dāng)極可能得不到所需材料。

同時(shí)，增強(qiáng)體與基體間的良好結(jié)合對(duì)復(fù)合材料性能的發(fā)揮至關(guān)重要，但是碳化硅和鋁基體的潤(rùn)濕性較差，因此，復(fù)合材料中增強(qiáng)體與基體間的結(jié)合力較弱，因此如何獲得結(jié)合力較好的復(fù)合材料是非常重要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提出一種碳化硅纖維束增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種碳化硅纖維束增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟一：用小于1k的石英纖維束編織成纖維布，纖維的絲徑在5-7微米，孔隙率在30-35％左右，厚度為0.12～0.15mm；

步驟二：將步驟一所得纖維布與石墨分層狀壓制，放入真空爐內(nèi)，在1100～1300℃下，進(jìn)行1～3h的原位反應(yīng)，得到碳化硅纖維布；

步驟三：用體積濃度為5-10％的氫氟酸對(duì)碳化硅纖維布進(jìn)行酸洗，除去殘余的石墨，得到表面清潔的碳化硅纖維布，將其裁剪成網(wǎng)片狀；

步驟四：裁剪一定規(guī)格的鋁或鋁合金箔，進(jìn)行表面噴砂粗化處理后備用；

步驟五：將噴砂粗化處理后的鋁或鋁合金箔與碳化硅纖維布進(jìn)行層狀交替疊加，得到復(fù)合壓制燒結(jié)前的預(yù)制體；

步驟六：將預(yù)制體在一定的溫度和壓力下進(jìn)行壓制燒結(jié)，溫度550～670℃，壓力12～20mpa，時(shí)間0.5～1.5小時(shí)，冷卻后得到碳化硅纖維束網(wǎng)狀增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。

優(yōu)選的，步驟一所述石英纖維束的質(zhì)量純度為99.92％，直徑為7.5±1.0μm，拉伸強(qiáng)度為1.8～3.5gpa，模量為140～320gpa。

可選的，步驟二所述石墨粉的粒徑為200-300目。

優(yōu)選的，步驟二所述碳化硅纖維布的厚度為0.12～0.15mm。

可選的，步驟二所述碳化硅纖維布可截成矩形、正方形或其他形狀。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的技術(shù)效果如下：

(1)本發(fā)明主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是利用石英纖維布(主成分是sio2)，經(jīng)sio2+2c＝sic+2co反應(yīng)后得到碳化硅纖維布，本發(fā)明新采用鋁或鋁合金箔-碳化硅纖維的疊層工藝，在低溫低壓短時(shí)下進(jìn)行預(yù)制體燒結(jié)，不僅大大降低制備能耗，得到的復(fù)合材料抗彎彈性模量可達(dá)100gpa以上。

同時(shí)，本發(fā)明的方法易獲得長(zhǎng)絲碳化硅纖維布，采用成本較低的石英纖維紗或者石英纖維布為反應(yīng)源，直接獲得碳化硅纖維布，大大簡(jiǎn)化現(xiàn)有制備碳化硅纖維布的制備步驟。

(2)本發(fā)明制得的復(fù)合材料，碳化硅纖維網(wǎng)的厚度在0.12～0.15mm之間，改變厚度可調(diào)節(jié)體積分?jǐn)?shù)，孔隙率在30-50％，改變孔隙率一方面調(diào)節(jié)體積分?jǐn)?shù)，另一方面可強(qiáng)化合金鋁液的滲透性；鋁合金箔的厚度可降低至0.01mm，通過(guò)調(diào)節(jié)鋁合金箔的厚度變化，同樣來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料中增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)的調(diào)節(jié)，通過(guò)纖維布和鋁合金箔的規(guī)格改變，可將增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)在0～60％之間變化。

(3)結(jié)合力強(qiáng)：由于碳化硅纖維布網(wǎng)孔的存在，鋁液很容易滲入到網(wǎng)孔，網(wǎng)孔中的鋁液凝固后，大大提高碳化硅纖維和基體之間的機(jī)械結(jié)合力。

(4)本發(fā)明的碳化硅纖維布網(wǎng)狀增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有較好的致密度，利用阿基米德法測(cè)試，其密度在2.80～2.90g/cm3、熱導(dǎo)率不小于200w/(m·k)、熱膨脹系數(shù)可調(diào)在8.5～12.5x10-6/k間可調(diào)。由于長(zhǎng)纖維增強(qiáng)體的加入，本發(fā)明的鋁基復(fù)合材料的抗彎彈性模量可達(dá)100gpa以上。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明工藝流程圖；

圖2為實(shí)施例1石英纖維束實(shí)物圖；

圖3為石英纖維布實(shí)物圖；

圖4為實(shí)施例1制備的碳化硅纖維布實(shí)物圖；

圖5為碳化硅纖維布微觀照片；

圖6為碳化硅纖維束增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的顯微組織圖；

圖7復(fù)合材料斷裂后的斷口形貌。

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供一種碳化硅纖維束增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟一：用小于1k的石英纖維束(圖2)編織成纖維布(圖3)，纖維的絲徑在5-7微米，孔隙率在30-35％左右，厚度為0.12～0.13mm，將纖維布與石墨分層狀壓制，放入真空爐內(nèi)，在1250℃±10℃下，進(jìn)行2h的原位反應(yīng)，得到碳化硅纖維布；

步驟二：用體積濃度為5％的氫氟酸對(duì)碳化硅纖維布進(jìn)行酸洗，除去殘余的石墨，得到表面清潔的碳化硅纖維布，將其裁剪成面積為100×100mm的網(wǎng)片，共50片；裁剪一定規(guī)格的6061鋁合金箔，其厚度為0.15mm，進(jìn)行表面噴砂粗化處理后備用，共51塊；將噴砂粗化處理后的鋁或鋁合金箔與碳化硅纖維布進(jìn)行層狀交替疊加，得到復(fù)合壓制燒結(jié)前的預(yù)制體；

步驟三：將預(yù)制體在溫度650±10℃，壓力20mpa，時(shí)間1.0小時(shí)下進(jìn)行壓制燒結(jié)，冷卻后得到碳化硅纖維束增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。

本實(shí)施例制備的6061碳化硅纖維束增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料尺寸為100×100×15mm，碳化硅纖維增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)通過(guò)橫截面積計(jì)算的方法可得到28％左右；

計(jì)算過(guò)程(0.12mm×100mm×50片×70％)/(100mm×15mm)＝28％。

由樣品的顯微組織圖片可以觀察到，所得到的復(fù)合材料制品組織均勻，致密度高，無(wú)裂紋和氣孔缺陷，經(jīng)mts—810電子拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸檢測(cè)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到200mpa。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供一種碳化硅纖維束增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，步驟同實(shí)施例1，不同點(diǎn)在于，步驟一的纖維布規(guī)格為240目，步驟二的碳化硅纖維布40片，6010鋁合金箔厚度為0.15mm，共41塊；步驟三將預(yù)制體在溫度650±10℃，壓力25mpa，時(shí)間1.5小時(shí)下進(jìn)行壓制燒結(jié)。

本實(shí)施例制備的碳化硅纖維束增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料尺寸為50×50×10mm，碳化硅纖維增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)為60％，抗拉強(qiáng)度達(dá)到200mpa。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開(kāi)了一種碳化硅纖維束增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，采用石英纖維束編織成纖維布，與石墨粉層狀壓制構(gòu)成碳化硅纖維布，將鋁或鋁合金箔與碳化硅纖維布進(jìn)行層狀交替疊加，得到復(fù)合壓制燒結(jié)前的預(yù)制體，將預(yù)制體進(jìn)行壓制燒結(jié)，冷卻，得到長(zhǎng)絲碳化硅纖維束網(wǎng)狀增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。制備的碳化硅纖維束網(wǎng)狀增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中碳化硅纖維的體積分?jǐn)?shù)為50～60％；復(fù)合材料致密度為95.5％～98.7％，密度為2.80～2.90g/cm3，抗彎彈性模量為109Gpa～136Gpa；復(fù)合材料熱導(dǎo)率高不小于170W/(m·K)、熱膨脹系數(shù)為8.5～12.5x10?6/K間可調(diào)。比目前使用的鋁碳化硅復(fù)合材料的熱導(dǎo)率高、增強(qiáng)體SiC體積分?jǐn)?shù)大，比鋁金剛石復(fù)合材料的成本低。

技術(shù)研發(fā)人員：牛立斌

受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安科技大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2017.07.31

技術(shù)公布日：2017.12.26